全混流反应器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,二、,全混流模型：(CSTR）又称,理想混合流,反应器或连续搅拌釜式反应器，进出物料的操作是连续的，可以单釜或多釜串联操作。,1、全混流模型,2、全混流反应器的设计方程式,3、设计方程式的应用,4、间歇釜式反应器和全混流（CSTR）反应器的比较,6、多釜串联CSTR反应器的设计方法,5,、多釜串联CSTR反应器的特点,特点：,反应器内所有空间位置的物系性质是均匀的，并且等于反应器出口处的物料性质，即反应器内物料的浓度与温度均一，且与出口物料温度、浓度相同。,新鲜物料瞬间混合均匀，存在不同停留时间的物料之间的混合，即返混。且逆向混合程度最大，逆向混合直接导致稀释效应最大。,在等温操作的条件下，反应器内物系的所有参数，如T、C、P等既不随时间变化，也不随位置变化。,1、全混流模型,2.设计方程：由于器内物料混合均匀，可以对全釜做关键组分A的物料衡算：,A进入量=A出V,R,量+反应掉量+累积量,Q,0,C,A0,=Q,0,C,A,+V,R,(-r,A,)+0,如进入反应器时还有一定转化率x,0,出口为x,f,空时与空速的概念：,空时：,（因次：时间）,空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。,空速越大，反应器的原料处理能力越大。,空速：,反应工程中常用于表示时间概念的还有：,反应时间t：反应物从进入反应器后从实际发生反应起到反应达某一程度（如某转化率）时所需的时间,停留时间：它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止在反应器内共停留的时间，对于分批式操作的釜式反应器与理想平推流反应器，反应时间等于停留时间，而对于存在返混的反应器，则出口物料是由具有不同停留时间的混合物，即具有停留时间分布的问题，工程上常用平均停留时间来表示。,平均停留时间：以 来表示，其定义为反应器的有效容积与器内物料体积流速之比，即 。,要注意区分上述三个工程上常用于表示时间的概念。,全混流反应器设计方程关联的参数有：,x,A,、,(-r,A,),、,V,R,、,F,A0,图解全混流反应器相关计算：,注意：上图中矩形可求出出口转化率x,A,或出口浓度为C,A,所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。,3、设计方程式的应用,零级反应,A,P (-r,A,)=k,或,一级反应,A,P (-r,A,)=kC,A,对于任意,A,值,二级反应 A,P (-r,A,)=,对于任意,A,值：,n级反应,A,=0时,例 题,例题,工厂采用CSTR以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在70下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：（-r,A,）=kC,A,C,B,式中：,（-r,A,）-以已二酸组分计的反应速率，kmol.L,-1,.min,-1,k-反应速率常数，1.97L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、C,B,-分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L,-1,C,A0,、C,B0,均为0.004kmol.L,-1,若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反应器的体积大小。,解：根据CSTR反应器的设计方程可知，,而间歇反应器所需的体积仅为：2.16m,3,请思考：为何间歇釜式反应器所需反应体积要小得多？,4、间歇釜式反应器和全混流（CSTR）反应器的比较：,对于反应级数n0的反应:,间歇釜式BR,：一次性投料，反应体系A的浓度由C,A0,逐渐降至C,A,(排料时A的浓度），反应速率随 t 减小;,全混流CSTR：A的浓度由C,A0,瞬间降至反应器出口浓度C,A,，故全混流反应器一直在相当于出口浓度的低反应速率下进行，相当于图中,B点,速率下进行。,间歇釜式,反应器所需反应时间：,全混流反应器所需空时：,=面积C,A0,DBC,A,=,全混流反应器的容积效率：,说明容积效率可以用时间比空时的原因,对于,n0,的不可逆反应，CSTR的容积效率,均小于1，这是由于“返混”造成的稀释效应使全混流的反应器的容积效率小于1，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式反应器的,1/,倍，但要注意,间歇,式操作的非生产性时间,t,0,在计算,时并没有考虑，若考虑之，则,=（t+t,0,）/,，有可能,=t/,小于1的情况，而,=（t+t,0,）/,大于1，这是完全可能的。,1、多釜串联CSTR反应器的特点,如果由几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器进行的反应，则,除了最后一个反应器,外，所有,其它反应器,都在,比原来高的反应物浓度,下进行反应，这势必,减少,了混合作用所产生的,释稀效应,，,使过程的推动力得以提高。表现在：,若两者的起始和最终浓度及温度条件相同，则意味着生产强度可以得到提高（因平均反应速度提高了）；,如果多釜与单釜具有相同的生产能力和转化率，多釜串联的反应器总容积必定小于单釜。串联级数越多，所需体积愈小，过程愈接近活塞流（PFR）和分批式反应器。,多釜串联反应器的设计方法,解析法：,1,2,i,N,设每个反应器的空时为,i,，则总空时为：,对任意,i,釜A组分的物料衡算（恒容系统）：,将具体的速率方程代入上式，从第一釜开始逐釜计算下去。,各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应：,若n=1，则：,将串联的N釜设计方程左右分别相乘得：,总容积为：,V=NV,i,=N,i,v,0,例 题,例题8 在两釜串联的全混流反应器中，用已二酸和已二醇生产醇酸树脂，在第一釜中已二酸的转化率为60%，第二釜中它的转化率达到80%，反应条件和产量如下：,速率方程式：（-r,A,）=kC,A,C,B,式中：,（-r,A,）-以已二酸组分计的反应速率，kmol.L,-1,.min,-1,k-反应速率常数，1.97L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、C,B,-分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L,-1,若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反应器的总体积大小。,解：,反应速率方程可转化为：(-r,A,)=,第一釜有效容积的计算,由操作方程知：,总有效容积：V,R,=V,R1,+V,R2,=3170L。,很明显，达到相同转化率时，两釜串联的有效容积要比单釜（7230L）的要小得多，为什么？请思考！,例题9：见陈甘棠教材P62例3-4-1（全混釜与间歇釜的比较）,若为等温恒容反应，且反应器的各釜容积相等，则设计方程可改写为：,上式表明：,若第i釜的进口转化率,x,A,i,-1,一定时，其出口转化率,x,Ai,与,(-r,A,),i,呈直线关系，其斜率为 ，截距为 。,出口转化率不仅要满足物料衡算式（设计方程），而且还要满足动力学方程式，若将上两关系绘于 x,A,(-r,A,)坐标系中，则两条线的交点所对应的 x,A,值即为该釜的出口转化率。,设计方法,图解法,具体步骤如下：,根据动力学方程式或实验数据作出,x,A,(-r,A,),曲线,MN,；,按式 作第一釜的物料衡算线，交点,P1,即为第一釜出口转化率,x,A1,。,因各釜体积相等，所以空时也相等，则各釜的物料衡算线的斜率一致。所以第二釜的物料衡算式可以从点x,A1,作平行于第一釜物料衡线交于MN线于P2，其横坐标即为第二釜的出口转化率x,A2,。,依此类推，一直到第N釜出口转化率x,A,N,等于或大于所要求的转化率x,Af,为止。则所得斜线数目即为反应器釜数。,x,A,-r,A,O,N,M,P,1,P,2,P,3,P,4,x,A1,x,A2,x,A3,x,A4,x,A,-(-r,A,)动力学线,第二釜物料衡算线,斜率：C,A0,/,x,Af,若给定釜数，可以用此法作图，最后直接读出串联反应器中A的最终出口转化率x,AN,。,若已知釜数N和最终的出口转化率x,AN,可以用试差法确定反应器的总有效容积或体积流量v。即假定一直线的斜率，从开始作图，如最后一釜的出口转化率与要求的不符，则另假设一斜率，直到符合为止，然后求出直线的斜率，进而求出，及V,R,或v。,若串联的各釜体积不等，则斜率亦不同，但也可采用此法进行计算最终出口转化率。,注：,优点：x,A,(-r,A,)可以由动力学方程式直接绘出MN，也可由实验数据描出MN，对于非一级反应，均可不用较繁锁的解析法，而采用图解法。,缺点：只有当反应的速率方程能用单一组分的浓度来表示时才能画出x,A,(-r,A,)曲线，因而才能用图解法。对于平行、连串等复杂反应，此法不适用。,图解法的变种：,若把第i釜的物料衡算式可写成：,根据反应动力学方程式绘出动力学线C,A,(-r,A,)；,从C,A0,开始，按下图所示方向逐个求得C,A0,、C,A1,C,AN,，直到C,AN,满足要求。,注若体积不相等，则引斜线的斜率是不一样的。为什么？,-r,A,O,P,1,P,2,P,3,P,4,C,A0,C,A,-(-r,A,)动力学线,第1釜物料衡算线,斜率：-1/,C,A,C,A1,C,A2,C,A3,C,A4,原理方法是一样的，还是不适合于复合反应场合。,C,Af,例题10,由例2所给的数据，用图解法确定四釜串联反应器中用已二酸和已二醇生产醇酸树脂所需反应器的有效体积。,速率方程式：（-r,A,）=kC,A,C,B,式中：,（-r,A,）-以已二酸组分计的反应速率，kmol.L,-1,.min,-1,k-反应速率常数，1.97L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、C,B,-分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L,-1,若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反应器的总体积大小。,解：,先画出动力学曲线,由动力学方程可知：,列表：,X,A,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,(-r,A,)10,-3,1.89,1.53,1.21,0.93,0.68,0.47,0.30,0.17,0.075,0.019,绘出动力学线MN。如下图：,由操作方程：,可作出各釜的物料衡算线，通过试差法使第四釜的出口转化率等于0.80。,试差结果：x,1,=0.47、x,2,=0.66、x,3,=0.75、x,4,=0.80,斜率：,思考,1.用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小),2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？,（V,r,最小),3.若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？,或各釜的最佳反应体积比如何？,连续釜式反应器的串联与并联,连续釜式反应器的串联与并联,如用两个反应器串联来进行,c,A0,c,A1,c,Af,或,x,A0,x,A1,x,Af,图解法,正常动力学,以转化率形式计算：,反常动力学,CSTR的并联：,正常动力学，转化速率 随X,A,增加而降低。,多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。,对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。,(但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）,反常动力学，转化速率 随X,A,增加而增加。,单釜的反应体积小于串联釜的总体积。,连续釜式反应器的串联与并联,1.,图解分析,小结,2.串联釜式反应器的计算,连续釜式反应器的串联与并联,串联釜式反应器,假设：,各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，,则各釜的空时,相等。,各釜操作温度相同，则各釜的速率常数,k,相等。,对第P釜作组分A的物料衡算：,五.串联全混釜各级体积最佳分配,即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。,对单一反应，总反应体积为：,据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。,小结：串联釜式反应器进行,级反应：,釜式反应器中复合反应的收率与选择性,当E,1,E,2,时.T,(k2/k1)S,P,当E,1,E,2,时.,T,(k2/k1)S,P,当E,1,=E,2,时.与温度无关,虽然当E,1,E,2,时.,T,(k2/k1)S,P,实际反应器中仍多用较高温度，以提高反应速率,所以对全混釜存在一个T,opt,该温度下S,P,较高产量较大。,a.温度影响：,b.浓度的影响,4.连串反应：,设全混釜中进行一段不可逆反应,APQ,总收率与总选择性,则：,七.全混流反应的定态操作（热稳定性）,定态：全混釜温度不随时间变化,非定态：T随时间变化,定态：非定态是一个变温过程：定态与非定态温度可由物料衡算热量衡算给出T,但定态可不是唯一即有多个温度可满足物料，热量衡算要求：,全混釜能量变化：,（1）.流体进入CSTR由T,0,T变化发生的内能的变化,（2）反应器与环境,（3）发生化学反应产生的热效应,(流体T,0,T内能变化）+（化学反应热效应）=物质与环境交换热,反应物系内能变化 物系与环境热交换,1.连续釜式反应器的热量衡算式,定态操作热量衡算式为：,对绝热反应，有,：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。,2.连续釜式反应器的定态热稳定性,定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。,连续釜式反应器的定态操作,CSTR反应器,作Q,g,T线 Q,r,T线,可见.只有a.b.c三点方能满足Q,g,=Q,r,的要求，故a.b.c（T,a,T,b,T,c,)称为稳定点,3.进料状况的影响,定态点是随操作条件变化的，如进料温度T,0,进料温度：T,1,T,2,T,1,影响稳定系数的因素：进料温度，反应器与环境的热交换情况，反应特性：,如：只有放热反应才可能出现多个稳定点,吸热反应的定态点总是唯一的。,着火点与熄火点：,当进料温度改变时，定态温度随之改变。,当进料温度T,G,下降时，定态温度从EDBAG在BA,点有个突然下降，称为熄火点，要随时避免靠近熄火点，防止突然降温使反应终止。,在GA，EB处定态温度唯一,在BD，AF处定态温度不唯一,当进料温度从TGTE变化时，定态温度变化为GAFDE，在F点是不连续的。定态温度从TF增加到TD该点称着火点，所以尽量避免靠近着火点，防止爆炸，烧毁,